健康与病态环境中的黏液纤毛传输

肺中的黏液纤毛清除是保护气道免受吸入有毒物和感染原的主要防御机制。该系统由弹性黏性黏液层组成，该层由黏液层下方的周纤毛层中的运动纤毛驱动。在健康状态下，周纤毛层的厚度与纤毛长度相当。该系统的扰动（无论源于遗传性疾病或获得性原因）与感染和疾病直接相关。例如，在慢性阻塞性肺病和囊性纤维化等疾病中通常观察到周纤毛层耗竭。临床证据将周纤毛层耗竭与黏液清除率降低联系起来。本工作中，我们开发了一种新颖的计算模型，用于研究微流控通道中的黏液纤毛传输，该通道由位于周纤毛层（近似黏性流体）之上的黏液层（黏弹性流体）构成。我们系统地改变黏液层的黏弹特性和厚度，以模拟健康和疾病状态。我们根据三个指标评估纤毛性能：流动传输、纤毛消耗的内功率以及传输效率。我们发现，与无黏液的对照情况相比，健康黏液层在所有三个指标上均增强了纤毛性能。也就是说，健康黏液层不仅改善流动传输，从而更好地清除有害物质，而且是以对纤毛更有能量优势的方式做到的。在健康状态下，黏液弹性特性的增强可提高传输效率。相反，在周纤毛层耗竭的疾病条件下，黏液阻碍传输……（因长度限制截断）